超大數(shù)值孔徑浸沒式物鏡的研發(fā)設(shè)計(jì)

劉雅麗

摘? ?要：該文提出一種超大數(shù)值孔徑光刻投影物鏡。該光刻投影物鏡作為光刻機(jī)曝光系統(tǒng)的核心模塊，將掩模版上的圖案以4倍縮小倍率成像于硅片面，該物鏡以193 nm的準(zhǔn)分子激光器為曝光光源，視場(chǎng)范圍為26mm×5.5mm，光學(xué)結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的全透射系統(tǒng)，引入反射鏡及鏡片反射面，采用折反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于平衡像差。浸沒情況下最大數(shù)值孔徑可達(dá)到1.35，可應(yīng)用于前道制造45 nm關(guān)鍵層和非關(guān)鍵層的光刻工藝需求。

關(guān)鍵詞：光刻;投影物鏡;浸沒;超大數(shù)值孔徑

中圖分類號(hào)：TH744? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著各種新興產(chǎn)業(yè)的誕生與快速發(fā)展，例如無人駕駛、人臉識(shí)別和自動(dòng)翻譯等人工智能技術(shù)以及載人航天等其它產(chǎn)業(yè)地不斷革新，機(jī)器的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜化，體積越來越微型化，算法越來越智能化等，這些都要求在盡量小體積的電子芯片上可以集成盡可能多的信息。光刻機(jī)是集成電路芯片制造產(chǎn)業(yè)的核心設(shè)備，因此市場(chǎng)對(duì)高分辨率光刻機(jī)的要求也不斷提高，特別集成電路芯片的制造行業(yè)。對(duì)于曝光分系統(tǒng)物鏡模塊，研發(fā)一款超高數(shù)值孔徑的投影物鏡顯得尤為迫切。該文基于當(dāng)前市場(chǎng)需求提出一款超高數(shù)值孔徑的浸沒式投影物鏡，最大數(shù)值孔徑可達(dá)1.35。

1 超大數(shù)值孔徑浸沒式光刻投影物鏡設(shè)計(jì)原理

一般光學(xué)系統(tǒng)的極限分辨率公式為：

式中：R為光學(xué)系統(tǒng)的極限分辨率;λ為光學(xué)系統(tǒng)的波長;NA為光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑。

光刻投影物鏡通過波前技術(shù)（離軸照明、偏振成像[1]、光瞳濾波、相移掩模等）突破瑞利判據(jù)的極限分辨率，分辨率公式定義為：

式中：k1為工藝因子。該工藝因子表征了光刻工藝水平的高低，工藝因子越小，說明其光刻工藝水平越高[2]。

除了優(yōu)化光刻工藝水平，降低工藝因子外。提高光刻光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，通常還可以采用2種方法。1）采用短波長曝光光源。2） 增大投影物鏡的數(shù)值孔徑。大多數(shù)光刻機(jī)的光源已從g線轉(zhuǎn)向i線，目前大量使用的是248 nm波長或193 nm波長準(zhǔn)分子激光器的光刻機(jī)。

在干燥的環(huán)境下，光刻投影物鏡的數(shù)值孔徑不會(huì)超過0.95，但是浸沒式投影物鏡的出現(xiàn)打破了這個(gè)局限。

數(shù)值孔徑是衡量光學(xué)系統(tǒng)收集光的角度范圍，是透鏡與被檢測(cè)物體之間介質(zhì)的折射率n和孔徑角2α半角的正弦的乘積。公式為：

NA=n×sinα

因此增大光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，除了增大孔徑角2α以外，還可以通過改變透鏡與被檢測(cè)物體之間的折射率來實(shí)現(xiàn)。

浸沒式投影物鏡就是在投影物鏡最后一片透鏡與硅片之間注入浸液來增大光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑?？諝獾恼凵渎蕿?，如果在最后一片透鏡與硅片之間注入水，其折射率為1.44，如此在不改變孔徑角的情況下，光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑明顯增加，光學(xué)系統(tǒng)的分辨率也得到了提升。

2 浸沒式光刻投影物鏡設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

浸沒式光刻投影物鏡設(shè)計(jì)指標(biāo)及要求見表1。

2.2 工作光源

該文描述的投影物鏡選用ArF光源-193 nm準(zhǔn)分子激光器。

2.3 光學(xué)材料

隨著光源波長的減小，對(duì)光學(xué)材料的要求也越來越高，對(duì)于193 nm的深紫外波段光源，光學(xué)材料需要考慮光學(xué)均勻性、折射率、應(yīng)力雙折射、氣泡度、透過率和收縮特性等。

光學(xué)均勻性是指同一個(gè)光學(xué)材料任意兩點(diǎn)的折射率偏差。光學(xué)材料加工退火的時(shí)候，由于爐內(nèi)溫度的不均勻?qū)е虏牧险凵渎食霈F(xiàn)偏差。光學(xué)均勻性差的透鏡會(huì)導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的光程差出現(xiàn)不規(guī)律的變化，影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。高分辨率的光刻投影物鏡，光學(xué)材料的均勻性必須滿足零級(jí)別的要求[3]。

光刻物鏡對(duì)光學(xué)材料折射率的要求極高，尤其是折射率的精度需求。高分辨率的光刻物鏡，要求光學(xué)材料的折射率偏差需控制在1 ppm～3 ppm。

應(yīng)力雙折射是指光學(xué)材料內(nèi)部產(chǎn)生形變，同時(shí)出現(xiàn)大小相等方向相反的抵抗產(chǎn)生應(yīng)變的反作用力。這是由于退貨過程中爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布不均導(dǎo)致的。因?yàn)閼?yīng)力的存在，光學(xué)鏡片在加工過程中可能出現(xiàn)炸裂，同時(shí)應(yīng)力也會(huì)使投影物鏡的成像質(zhì)量下降。

光學(xué)材料中的氣泡類似于微透鏡，光束通過氣泡度不高的透鏡會(huì)產(chǎn)生雜散光。

透過率是光學(xué)材料非常重要的參數(shù)，對(duì)于193 nm波長的光源來講，大多數(shù)光學(xué)材料的透過率都非常低，只有熔石英和氟化鈣可以使用。

收縮特性是指光學(xué)材料吸收部分光束后出現(xiàn)膨脹，光學(xué)材料的密度發(fā)生變化，在光刻光學(xué)系統(tǒng)中，微小的位移也會(huì)影響成像質(zhì)量。

浸沒式投影物鏡需要在最后一片透鏡與硅片之間引入液體，本款投影物鏡引入水，因此除了需要考慮上述光學(xué)材料性能外，對(duì)于浸沒式投影物鏡，還要考慮光學(xué)材料的水溶性。

由于浸沒液與最后一片透鏡的光學(xué)材料的選擇可以提高數(shù)值孔徑，需要考慮系統(tǒng)的最后一片透鏡的材料。SiO2的激光工作波段窄，其線寬僅為1 pm，當(dāng)用傳輸大功率激光時(shí)，容易使密度發(fā)生變化（壓縮和稀疏），且此時(shí)對(duì)光吸收增強(qiáng)，而CaF2不容易出現(xiàn)。但是CaF2溶解于水，這樣就減少了光學(xué)系統(tǒng)的使用壽命[4]。

綜合考慮以上的各項(xiàng)光學(xué)材料性能，深紫外波段投影物鏡的光學(xué)材料僅可以選擇熔石英和氟化鈣，Silica除了在193 nm波段具有良好的光學(xué)性能外，價(jià)格也相對(duì)便宜，因此對(duì)于193 nm的光刻物鏡，熔石英為首選光學(xué)材料。再加上該文描述的浸沒投影物鏡的浸沒液為水，考慮Silica光學(xué)材料良好的水溶性，最后一片光學(xué)鏡片也采用Silica光學(xué)材料。

3 大數(shù)值孔徑光刻投影物鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)分析

3.1 使用浸沒式增大光學(xué)結(jié)構(gòu)的數(shù)值孔徑

根據(jù)光刻投影物鏡分辨率公式的定義，實(shí)現(xiàn)高分辨的光刻投影物鏡，一方面可以縮短光源的波長，該文光刻物鏡采用ArF-193nm準(zhǔn)分子激光器為光源，另外一方面還可以提高物鏡的數(shù)值孔徑，該文提出的光刻投影物鏡采用浸沒式，即在投影物鏡的最后一片透鏡與硅片面之間引入浸液，突破了干燥環(huán)境物鏡數(shù)值孔徑最大極限為0.95的約束，實(shí)現(xiàn)了超高數(shù)值孔徑的需求，最大數(shù)值孔徑可達(dá)到1.35。

3.2 使用折反射式結(jié)構(gòu)來校正像差

隨著光源波長的減小，對(duì)光學(xué)材料的要求也越來越高，根據(jù)2.2節(jié)中的分析，對(duì)于193 nm波長的光源，可選用的光學(xué)材料非常有限，僅有融石英和CaF2，又考慮到CaF2的水溶性問題，因此僅選擇融石英為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)材料，這樣所選的光學(xué)材料阿貝數(shù)相同，不利于光學(xué)系統(tǒng)色差的校正。

光學(xué)系統(tǒng)數(shù)值孔徑NA的增大，光學(xué)系統(tǒng)為了更好地校正像差，尤其是色差、場(chǎng)曲等像質(zhì)，光學(xué)結(jié)構(gòu)會(huì)越來越復(fù)雜，折反射式結(jié)構(gòu)可以幫助更好地校正像差。因?yàn)榘济娣瓷溏R相當(dāng)于具有正光焦度地透鏡，與負(fù)透鏡組合使用時(shí)，可以很好地校正光學(xué)系統(tǒng)地場(chǎng)曲，同時(shí)不產(chǎn)生色差[5]。因此折反射式投影物鏡是短波長高數(shù)值孔徑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的必然趨勢(shì)。

3.3 使用非球面

在光學(xué)系統(tǒng)中引入非球面，給光學(xué)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)帶來了更多的自由度，在更好地校正光學(xué)系統(tǒng)像差的同時(shí)，降低了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了光學(xué)系統(tǒng)中鏡片的數(shù)量，同時(shí)縮短了光學(xué)系統(tǒng)的總長。

非球面的計(jì)算公式如下：

式中：z為非球面的表面矢高，c為表面中心曲率半徑，h為到中心的距離。K為圓錐曲線系數(shù)，A、B、C、D、E、F分別為4次、6次、8次、10次、12次、14次非球面系數(shù)。

3.4 使用中間像面及約束入射角來控制系統(tǒng)的孔徑

光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑越大，鏡片的口徑也會(huì)越大，尤其是凸透鏡的口徑，這不僅給光學(xué)制造和檢測(cè)帶來很大的挑戰(zhàn)，同時(shí)也使成本急劇增加。該文提出的光刻投影物鏡結(jié)構(gòu)，采用兩次中間像面成像，并約束光學(xué)系統(tǒng)光線的入射角度來實(shí)現(xiàn)光學(xué)鏡片口徑的約束。

4 大數(shù)值孔徑的光刻投影物鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的超大數(shù)值孔徑浸沒式投影物鏡結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)結(jié)構(gòu)包含17塊球面透鏡、6個(gè)非球面透鏡、4個(gè)反射鏡、3個(gè)平板鏡片。采用折反射式結(jié)構(gòu)，像方浸液為水。

圖1中G1為第一透鏡組;G2為第二透鏡組;G3為第三透鏡組;M1、M2、M3為3個(gè)反射鏡;L1-L4為負(fù)彎月透鏡;L11為負(fù)彎月透鏡的前表面;OS為掩模;AS為光闌;IS為像平面。

整體結(jié)構(gòu)總共分為3組透鏡組：G1、G2和G3。掩膜板上的圖案通過第一透鏡組G1成像在第一個(gè)中間像面上，然后再通過第二鏡組G2成像在第二個(gè)中間像面上，最后再通過鏡組G3最終成像在硅片面上。

鏡組G1中采用2個(gè)凹面反射面與2個(gè)彎月透鏡組合，由于彎月透鏡產(chǎn)生負(fù)的光焦度，凹面反射面產(chǎn)生正的光焦度，從而很好地校正了第一個(gè)中間像面的像質(zhì)。

第一個(gè)中間成像良好地像差校正，同時(shí)約束鏡組2初始入射光線的入射角小于38°，這樣不僅很好地優(yōu)化了第二組透鏡組G2的光學(xué)鏡片口徑，最大光學(xué)鏡片口徑為258 mm，從而降低了光學(xué)元件的加工及檢測(cè)難度;而且降低了光學(xué)鏡片的膜層的設(shè)計(jì)難度，有利于提高光學(xué)系統(tǒng)透過率。

光學(xué)結(jié)構(gòu)中6個(gè)非球面的設(shè)計(jì)減少了整個(gè)系統(tǒng)光學(xué)鏡片的數(shù)量，同時(shí)將光學(xué)系統(tǒng)的總長很好地控制在1 300 mm以內(nèi)。

5 浸沒式光刻投影物鏡設(shè)計(jì)結(jié)果

從表3可以看出，設(shè)計(jì)結(jié)果明顯優(yōu)于指標(biāo)要求，波像差為0.5 nm，為指標(biāo)要求1 nm的1/2，畸變的設(shè)計(jì)結(jié)果為2 nm，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

6 結(jié)論

該文提出的物鏡以193 nm的準(zhǔn)分子激光器為曝光光源，視場(chǎng)范圍為26 mm×5.5 mm，光學(xué)結(jié)構(gòu)為折反射浸沒式光刻投影物鏡。浸沒情況下最大數(shù)值孔徑可達(dá)到1.35，像質(zhì)指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果明顯優(yōu)于指標(biāo)要求，波像差為0.5 nm，為指標(biāo)要求1 nm的1/2，畸變的設(shè)計(jì)結(jié)果為2 nm，遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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